一种适用于加热沸腾条件的棒束通道可视化实验本体的制作方法

本发明涉及一种棒束通道可视化实验本体，尤其涉及一种适用于加热沸腾条件的棒束通道可视化实验本体，属于流体力学、传热学、反应堆热工水力学，核安全等领域。

背景技术：

压水堆堆芯燃料组件是非典型的棒束通道结构，并且燃料组件内还设置有定位格架，导致燃料组件内流体的流通结构更加复杂，进而促使燃料组机内复杂的热质传递过程更为复杂。在反应堆正常运行时，棒束通道内稳态流动换热工程的研究对于反应堆的经济性至关重要，事故条件下特别是在流量瞬变条件下棒束通道流容易发生传热恶化等现象，因此对于燃料组件复杂通道内流动换热行为的研究将直接关系到反应堆安全。然而，由于燃料组件复杂的结构对边其内部的流动换热行为研究，国内外学者多采用传统热电偶测量棒束壁面温度以预测棒束通道内流动换热行为，而热电偶的测量只能对单独某个或某些点的温度进行测量，无法获取燃料组件内细节流动换热行为，并且热电偶的布置方式不可避免的对真实燃料组件内部行为造成一定的影响，最终导致工程上对燃料组件内真实的热质传递过程仍然认知不足，因此需要先进的可视化测量与传统测量相结的方式，但是两种方式的结合对实验本特的设计提出了更高的要求，该本体需要兼顾传统热量技术以及先进可视化技术的测量要求，因此需要设计一种即供电加热至沸腾也能够实现可视化测量的透明本体，实现对棒束通道内部流动传热行为的精细测量，从而揭示核反应堆燃料元件的传热机理，提高核反应堆的经济性与安全性。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种结构简单，价格低廉的适用于加热沸腾条件的棒束通道可视化实验本体。

本发明的目的是这样实现的：

一种适用于加热沸腾条件的棒束通道可视化实验本体，包括方形石英通道、分别设置在方形石英通道上端和下端的本体出口和本体入口、设置在方形石英通道内的模拟燃料棒束，模拟燃料棒束的下端通过密封法兰与方形石英通道连接，还设置有正极导电铜排和负极导电铜排，所述正极导电铜排设置在本体入口上端；所述模拟燃料棒束包括连接铜头、设置在连接铜头下端的导电铜棒和不锈钢管，所述导电铜棒设置在不锈钢管的内部且外表面设置有绝缘管，所述不锈钢管和绝缘管之间有空隙；不锈钢管和正极导电铜排连接，导电铜棒和负极导电铜排连接。

本发明还包括这样一些特征：

1.所述正极导电铜排和密封法兰上均匀设置有与模拟燃料棒束配合的第一圆孔，负极导电铜排上均匀设置与导电铜棒配合的第二圆孔；所述压紧铜排还均匀设置有保证流量均匀分配的第三圆孔；

2.还设置有压紧铜排，正极导电铜排设置有第一螺纹孔，压紧铜排设置有第二螺纹孔，所述第一螺纹孔和第二螺纹孔相对应；

3.还设置有热电偶，所述热电偶焊接在不锈钢管的内壁上且下端伸出本体外；

4.所述模拟燃料棒束与方形石英通道之间还设置有定位格架，所述本体出口和本体入口有两个且对称设置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明的可视化实验本体采用石英玻璃作为通道外壁，石英玻璃具一定耐高温能力，克服了传统亚克力遇高温变形的缺点，使得实验本体能够开展模拟loca事故下传统压水堆核电站出现过冷沸腾以及沸腾下的可视化研究；

2)本发明的不锈钢管由直流电源供电加热，电流的输入和输出端均从本体下端伸出，结合透明上封头，使得棒束本体上封头不受遮挡，提高了可视化范围；本体内部布置热电偶，可测量棒束通道内壁温；

3)本实验装置设计解决了传统壁温测量方法和可视化实验无法结合的难题，可实现高温及两相条件下棒束通道内部流场温场测量研究；

4)实验棒束可通过高精度旋转台进行旋转，角度误差小，可准确测量的棒束壁面周向的温度；

5)棒束加热本体整体结构设计简单，价格低廉，易加工。

附图说明

图1是本发明的棒束通道加热可视化本体结构示意图；

图2a是本发明模拟燃料棒束示意图；

图2b是图2a的a-a方向的剖面图；

图2c是图2a的b-b方向的剖面图；

图2d是图2a的c-c方向的剖面图；

图2e是图2a的d-d方向的剖面图；

图3是本发明的正极导电铜排示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明提供的是一种用于加热沸腾条件的棒束通道可视化实验本体，实现传统换热特性测量与可视化先进测量手段的完美结合，可用于棒束通道内壁面温度测量和棒束通道内流动换热行为的可视化测量；本发明棒束通道可视化实验本体，结构简单，价格低廉，研究工况范围广覆盖单相及沸腾两相，可用于实现复杂条件下棒束通道流动换热特性测量。

本发明实验本体主要包括方形石英通道5、不锈钢连接件11、正极导电铜排7、负极导电铜排9、压紧铜排8、模拟燃料棒束、上封头1、密封法兰13。实验本体外壁通道由方形石英通道5和不锈钢连接件11组成，满足高度透明、耐高温以及一定连接强度的要求；模拟燃料棒束由不锈钢管4，连接铜头3、导电铜棒10以及聚四氟乙烯绝缘管14组成，导电铜棒10位于不锈钢管4内，不锈钢管4和导电铜棒10分别与连接铜头3焊接在一起，形成闭合导电回路，聚四氟乙烯绝缘套14在导电铜棒10与不锈钢管4之间，避免两者接触出现电路短路，模拟燃料棒束下端不锈钢管4与正极导电铜排7相连，由直流电源供电加热，电流经过模拟燃料棒束后由导电铜棒10导出到直流电源；模拟燃料棒束与方形石英通道5应用密封法兰13灵活密封；模拟燃料棒束内壁面布置有热电偶15，由模拟燃料棒束下端伸出本体外，可以通过旋转模拟燃料棒束以实现对子通道轴向壁温的测量。模拟燃料棒束的不锈钢棒束供电输入端、输出端以及热电偶15均从本体下端伸出，避免实验本体上端光学遮挡，因此激光、平面光源等外部光源能经由本体上部进入本体；以上技术的结合应用，保证了外部先进可视化技术在棒束通道内应用。

本发明正极导电铜排7和不锈钢管4之间通过压紧铜排8固定，压紧铜排8一方面压紧并精确固定不锈钢管的位置，另一方面通过压紧铜排8加大不锈钢管4与正极导电铜排7之间的导电面积尽量减小不必要的电耗；本发明本体上下两端封头各有两个入口12和两个出口2，通过两个进出口之间的位置关系尽量降低入口效应和出口效应对棒束通道流场的影响，以保证棒束通道流动换热行为模拟的真实性；本发明模拟燃料棒束中外侧不锈钢管4与导电铜棒10之间由聚四氟乙烯绝缘管14隔开，以保证两者之间接触避免电路短路的危险；本发明不锈钢管采用激光切割的方式在管壁面开孔，并且采用低温焊接的方式将热电偶15焊接在管内部，并封口，防止了高温焊接可能损坏热电偶15，并且避免了热电偶15从管壁脱落的风险。

结合图1，一种适用于加热沸腾条件的棒束通道可视化实验本体，可实现高温沸腾条件下棒束通道壁面温度和内部流动传热行为的可视化研究。本体设置上主要包括石英玻璃上封头1、本体出口2、连接铜头3、不锈钢管4、方形石英通道5、定位格架6、正极导电铜排7、压紧铜排8、负极导电铜排9、导电铜棒10、不锈钢连接件11、本体入口12、密封法兰13。循环工质经由实验本体2个入口12进入棒束实验本体，两股流体相互交混以尽量减小入口效应对测量的影响。两股流体混合后经过正极导电铜排7的空隙后进入棒束实验本体，在该过程中正极导电铜排即充当导电部件，也充当流量分配孔板。流体进入棒束通道被模拟加热棒加热后由石英玻璃上封头1上的两个本体出口2流出实验本体，棒束通道方形通道为耐高温的方形石英通道5具有高度透明且耐高温特点，加热过程并不会对其形状造成影响。棒束通道内模拟燃料棒由定位格架6加持支撑以保证棒间隙的标准尺寸；棒束通道内模拟燃料棒的外壁不锈钢管4与正极导电铜排7采用压紧铜排8连接，以保证电流闭合，同时压紧法连由紫铜加工而成，导电性良好增加了正极导电铜排7与不锈棒束的接触面积以减小电阻。

进一步地，模拟燃料棒束内布置有热电偶15，可以测量棒束内壁温，不会对棒束通道内部流场温场产生影响。

进一步地，模拟燃料棒束与方形石英通道5之间采用密封法兰13灵活密封，以实现模拟燃料棒能自由旋转的前提下保证循环工质的灵活密封。

进一步地，模拟燃料棒束的供电输入端和输出端均从本体伸出与正极导电铜排7和负极导电铜排9相连，壁面上封头光学遮挡。

本发明通过在模拟燃料棒内布置热电偶实现棒束通道内壁面温度测量，高度透明的实验本体设计可以满足先进光学测量技术(piv，lif等)在棒束通道内部流动传热行为的测量。

结合图2a，是本发明中的模拟燃料棒，由连接铜头3、不锈钢管4、导电铜棒10、聚四氟乙烯绝缘管14、热电偶15构成。连接铜头3将不锈钢管4和导电铜棒10连接形成闭合导电回路，连接方式采用焊接；不锈钢棒束下端外壁面与正极导电铜排7相连，由直流电源供电加热，电流经过不锈钢棒束后由不锈钢棒束内部铜棒导出负极导电铜排9最后回到直流电源；聚四氟乙烯绝缘管14的套在导电铜棒10的表面防止回路的短路。采用激光切割的方式在不锈刚管壁面表面开孔，并且将热电偶15采用低温焊接的方式连接在不锈钢的内部，同样也用低温焊接的方式将切口封住，保证了热电偶15不会由于高温脱落。

结合图3a，是本发明的正极导电铜排7上设置有第一连接螺纹孔16。图3b为压紧铜排8，压紧铜排8设置有第二螺纹孔17，通过螺丝可以将的两个压紧铜8排组合并加紧不锈钢棒4。组合后的压紧铜排8可以通过导电铜排上设置的第一螺纹孔16将模拟燃料棒固定于正极导电铜排7上，并且压紧铜排8增加模拟燃料棒束和正极导电铜排7之间的导电面积，进而减小电阻，可以防止非加热区域温度过高发生危险。正极导电铜排7和密封法兰13上均匀设置有与模拟燃料棒束配合的第一圆孔，负极导电铜排9上均匀设置与导电铜棒10配合的第二圆孔；所述压紧铜排还均匀设置有保证流量均匀分配的第三圆孔。

本发明的实验本体可以实现加热至沸腾下棒束壁温测量以及棒束通道流动换热行为可视化测量。棒束壁面温度测量主要通过布置在内壁面的热电偶测量，这种热电偶的布置方式未对流道引入扰动，可有效保证测量精度；棒束本体设计采用高度透明石英玻璃作为通道，可承受地一定的加热条件，并且模拟燃料棒束的输入端、输出端均由本体下封头伸出，通过密封法兰组实现通道较好的密封，提高了本体的可视化程度，可使先进的光学测量技术应用于棒束通道内流动传热行为的测量。本发明可以模拟反应堆燃料组件内单相及两相流动，从而对棒束通道流动传热特性进行研究，本体设计简单，价格低廉，数据采集准确方便，研究工况范围广。

综上所述：本发明提供的是一种适用于高温加热条件下的棒束通道可视化实验本体，实验本体包括方形石英通道、不锈钢连接件、正负极导电铜排、压紧铜排、模拟燃料棒束、上封头、密封法兰。棒束外壁面通道由耐高温石英玻璃和不锈钢连接件组成，保证了棒束通道四面可视化以及连接强度；模拟燃料棒束由不锈钢管、连接铜头、导电铜棒以及聚四氟乙烯绝缘管构成，模拟燃料棒发热有直流电源对不锈钢棒束由直流电源供电产生，并且不锈钢棒的供电输入端和输出端均从本体下封头伸出，因此保证了上封头一侧可视化，不锈钢棒束与方形石英通道通过密封法兰盘实现通道密封；另外，模拟燃料棒束内壁面布置热电偶，并且棒束可旋转，可实现无干扰条件下棒束内壁温在周向位置的测量；全透明的棒束实验本体保证了激光片光可从任意角度穿过石英玻璃壁面进入棒束通道内为测量区域提供激光照明，可保证piv、ldv等技术在棒束通道流场和温场测量方面的有效应用。本实验装置设计解决了传统壁温测量方法和可视化实验无法结合的难题，可实现高温及两相条件下棒束通道内部流场温场测量研究，并且设计简单、成本低廉。